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Anordnung zur signaltechnisch sicheren Umsetzung eines
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failsafe-Wechselspannungssignals in ein failsafe-Gleichspannungssignal
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur signaltechnisch sicheren Umsetzung
eines failsafe-Wechselspannungssignals in ein failsafe-Gleichspannungssignal unter
Verwendung von Zerhacker-, Gleichrichter- und Filterstufen.
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Bei den bekannten Systemen dieser Art soll eine fehlersichere (failsafe)
Ausgabe einer Gleichspannung beim Anliegen einer rechteckförmigen Eingangswechselspannung
der beim Fließen eines Eingangswechselstroms, was als" logisch 1" interpretiert
wird, erfolgen. Fehlt die Eingangswechselspannung oder der -strom oder ist ein Element
innerhalb der Schaltung fehlerhaft, muß das statische Gleichspannungssignal den
als sicher interpretierten Zustand"logisch 0" annehmen. Derartige Systeme finden
in sicherheitsrelevanten
Schaltungen des Verkehrs, der Reaktortechnik
oder dgl. Anwendung.
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Die bisher bei gleicher Zielsetzung verwendeten Systeme (z.B. Logisafe)
bedienten sich allgemein einer stromgekoppelten Logik. Dabei wurde ein Wechselstrom-Rechtecksignal
ca. von 1,5 bis 2,5 MHz transformiert, gleichgerichtet und in ein 20.kHz Wechselspannungs-Steuersignal
umgesetzt, mit dem ein VMOS-Umrichter mit transformatorischer Leistungsauskopplung
und Gleichrichtung betrieben wurde.
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Diese Systeme haben sich bewährt.
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Nachteilig ist in manchen Fällen der erhebliche technische Aufwand
an Bauelemnfen und dadurch bedingt die Baugröße, auch ie das Gewicht und/mögliche
Preisgestaltung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und ein System
zu erstellen, das bei gleicher signaltechnischer Sicherheit mit weniger Bauelementen
auskommt, kleiner, leichter und billiger ist und das aufgrund der geringeren Bauelementenanzahl
eine erhöhte Betriebstüchtigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art gemäß
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Es wird dabei von einem einfachen
Serien-Kurzschluß-Zerhacker, wie er im Prinzip z.B. auch der DE-Literatur Buch Tietze/Schenk,
Halbleiter-Schaltungstechnik, 2. Aufl.
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(Jahrgang l9il), S. 544, Abb. 19.12, 19.13 bekannt ist und einer speziellen
einfachen kapazitiven Auskoppeltechnik Gebrauch macht. Es handelt sich hierbei um
eine spannungsgekoppelte Logik. Auf der Hand liegen Gewichts-, Raum- und Preisvorteile,
die bereits durch den Wegfall der Eingangs-und Leistungstransformatoren gegeben
sind. Hinzu kommt, daß
anstelle von teuren MOSFET-Transistoren jetzt
einfache Leistungstransistoren Verwendung finden können. Weitere Vorteile liegen
in der direkten Ansteuerungsmöglichkeit der Transistoren, was eine spezielle teure
Frequenzwandlung bzw. -umsetzung unnötig macht. Vorteilhaft ist darüberhinaus ein
hoher Wirkungsgrad der Schaltung, der bei ca.
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80 % bei 30 mA Laststrom liegt. Die failsafe-Eigenschaft ergibt sich
durch die Anordnung der beiden Schalttransistoren zusammen mit der gewählten Anordnung
zur Auskopplung und Erzeugung des positiven Ausgangsgleichspannungssignals.
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Schaltungsdefekte, z.B. Kondensator- oder Halbleiterkurzschlüsse und
Unterbrechungen führen auch in Dreifachkombinationen nicht zu einem gefährlichen
Ausgangssignal, d.h.
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der Ausgang führt immer O-Signal (0 bis 3 V), wenn keine Eingangswechselspannung
(U=UL4lV) 1V ) anliegt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
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Anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung
wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
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In der Zeichnungsfigur sind mitl und 2 zwei Schalttransistoren bezeichnet,
die in Serien-Kurzschlußschaltung eine anliegende Versorgungsgleichspannung +UV
zwischen 19 und 33 V zerhacken. Dabei werden zwei Auskoppel-Trennkondensatoren 3,
4 umgeladen. Mit 5 ist eine Klemmdiode bezeichnet, deren Funktion noch erläutert
wird. Das am Auskoppel-Trennkondensator 4 abgreifbare Wechselspannungssignal wird
über eine Gleichrichterstufe mit den Ventilen 6 und 7 gleichgerichtet.
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Das statische Gleichspannungssignal, geglättet durch Filterkondensatoren
8, 9 ist am Ausgang A abnehmbar. Angesteuert werden die beiden komplementären Transistoren
1 und 2 durch
eine rechteckförmige Eingangswechselspannung Urugmit
maximal 10 V Amplitude bei einer Frequenz von ca. 1 MHz und einem Tastverhältnis
von etwa 0,5. Es ist ferner eine elektronische Kurzschluß- und Überlastschutzschaltung
vorgesehen, die durch einen Serienwiderstand 10 in Verbindung mit zwei Ventilen
11 und 12 sowie dem Schal-ttransistor 1, mit dem die beiden Ventile in Wärmekopplung
stehen, realisiert ist. Mit 13 und 14 sind weitere Glättungskondensatoren, mit 15
und 16 Ankoppelkondensatoren und mit 17 bis 19 Vorspannungswiderstände bezeichnet.
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Zur Funktion: Gemäß den Rechteckhalbwellen der Eingangswechselspannung
Uwukwerden die im Ruhezustand gesperrten Schalttransistoren 1 und 2 wechselweise
angesteuert und leitend. Die Eingangsgleichspannung Uv wird dabei zerhackt. Die
Auskopplung, der an den Kollektoren der Schalttransistoren 1, 2 positiv gegen Masse
erzeugten Rechteckspannung erfolgt über Kondensator 3 mit anschließender Potentialumkehr
durch die Klemmdiode 5.
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An deren Anode steht die Recheckspannung negativ gegen Masse an. Über
Kondensator 4 mit den Gleichrichterdioden 6 und 7 wird die Rechteckspannung endgültig
positiv gegen Masse gleichgerichtet und steht nach Glättung durch die Filterstufe
mit den Kondensatoren 8 und 9 am Ausgang A als statische Gleichspannung zur Verfügung.
Durch die Art der Auskopplung und der Gleichrichter erfolgt eine Spannungsverdopplung,
so daß die Ausgangsgleichspannung Ua etwa so groß wie Uv wird. Einzel- und Kombinations-Die
Klemmdiode 5 hat die Aufgabe, / Kurzschlüsse (Durchschläge) der Kondensatoren 3
oder 4 als Fehler bemerkbar zu machen. Sie wird so gewählt, daß sie auch im Fehlerfalle
alle auftretenden Kurzschlußströme nach Masse ableiten kann. Ohne die Klemmdiode
5 wäre bei durchgeschlagenen Kondensatoren die Schaltung zwar auch funktionsfähig,
jedoch nicht sicher. Ein Fehler bleibt unerkannt, bis
auch der Transistor
1 durchlegiert und eine Abschaltung unmöglich macht. Durch die Klemmdiode 5 wird
der Punkt zwischen den Kondensatoren 3 und 4 auf Massepotential geklemmt und sie
leitet bei Durchschlag der genannten Elemente Pluspotential ) 0,5 V gegen Masse
ab. Bei Durchschlag des Kondensators 4 geschieht dies in Verbindung mit der Gleichrichterdiode
7. In einem solchen Fehlerfall würde am Ausgang A die statische Gleichspannung zusammenbrechen
und der signaltechnisch sichere Zustand"logisch 0" eingenommen, der auch den Fehler
signalisiert. Die Schaltung ist sicher bis zu einem dreifachen Fehler in beliebiger
Kombination der Bauelemente 1, 3, 4 und 5. Um die Sicherheitskette zu sprengen,müßt
alle vier Fehler gemeinSam 4 sowie Unterbrechngbei 5.
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auftreten: Schluß bei 1, 3 und /Ein solches Verhalten gilt bei unabhängigen
Fehlern als nicht wahrscheinlich, d.h. die Schaltung ist nach den geltenden Regeln
sicher.
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Die Anordnung weist, wie bereits angedeutet, noch eine Kurzschluß-
und Überlastschutzschaltung auf, was die Erzeugung von Fehlern weiter mindert. Dabei
wird der laststromabhängige Spannungsabfall am Serienwiderstand 10 dazu ausgenutzt,
bei größer als 0,6 V den Schalttransistor 1 zu sperren, was zur Begrenzung des Laststromes
führt. Mit Serienwiderstand 10 ist der Begrenzungseinsatz wählbar, wobei im Kurzschlußfall
etwa der 1, 5-fach maximale Laststrom aufgenommen wird (iK max NN 45mA). Die Schaltung
bleibt thermisch stabil, (iK max wenn die Schaltdioden 11, 12 etwa die Temperatur
des Transistors 1 haben, dazu genügte eine lose thermische Kopplung.
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Die Verlustleistung von Transistor 1 muß für eine Leistung entsprechend
d K max UV max ausgelegt se n, während Transistor 2 bei Überlastung des Ausganges
sogar geringer als im Normalbetrieb belastet wird, da die von ihm zu schaltende
Kollektor-Emitter-Spannung durch Transistor 1 zurückgeregelt wird.
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Wird bei einem Überlaststrom der Transistor 1 warm, dann erwärmen
sich auch die Schaltdioden 11 und 12, wodurch deren Spannungsabfall (Schwellspannung)
abnimmt. Das bedeutet, daß das zur Verfügung stehende Minuspotential an der Basis
des Transistors 1 gegenüber seinem Emitter abnimmt und den Transistor zurückregelt.
Der Spannungsabfall an der einen Schaltdiode z.B. 11 kompensiert den Spannungsabfall
der parallelen Basis-Emitterdiode von Transistor 1 und der der zweiten Schaltdiode
den des Serienwiderstandes 10. Die Spannung an der Schaltdiode 12 (ca. 0,6 V) dividiert
durch den Ohmwert des Serienwiderstandes 10 bestimmt den Maximalwert des Stromes.
Er kann etwa dem Doppelten des Effektivstromes entsprechen.
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Die Schaltung ist durch einfache Stromauskopplung kompatibel mit Anordnungen
der stromgekoppelten Logik.